基于層次分析法的清障救援車模塊劃分技術研究*

陳 兵 劉 昌 莫 威 張利杰

(北京科技大學機械工程學院，北京 100083)

近10年以來，隨著經濟的發(fā)展以及社會的進步，加快了道路交通基礎設施建設，也帶動了汽車行業(yè)的發(fā)展，中國汽車產銷量增長迅速，2016年的中國汽車產銷量已經高達2 800萬輛，同時，截止2016年，中國汽車保有量已經高達1.94億輛。汽車產業(yè)的快速發(fā)展也導致道路車輛事故(或故障)救援、城市違章車輛處置以及自然災害搶險救援等社會需求急速增長，對清障救援車的需求日益增大。然而，我國清障車行業(yè)起步較晚，在產品設計過程中缺乏成熟的產品頂層設計架構和系統(tǒng)性指導，主要依靠仿制國外的產品，自主研發(fā)能力差，設計思路及設計理念遲滯不前，導致產品質量較低、性能較差，嚴重阻礙了我國清障救援車行業(yè)的發(fā)展。

針對上述情況，國內科研機構對清障救援車開展了如新型材料、智能化等多領域的技術創(chuàng)新，但在設計制造理論上的突破相對較少。模塊化設計方法是近年來在工業(yè)領域中應用較廣的現代設計方法理論[1]，目的是將產品根據不同的要求劃分為一系列的模塊單元，并通過不同模塊的組合滿足不同客戶需求，是解決產品品種、規(guī)格、生產周期等與成本之間矛盾的重要方法。模塊化設計主要包括了模塊劃分和模塊組合兩方面的內容，模塊劃分是實現清障救援車模塊化的基礎，對清障救援車開展模塊劃分方法研究具有重要意義。

目前已有很多學者對不同的機械產品進行了多方面的模塊劃分方法技術研究[2]。劉宏洋[3]等人針對泵車產品，構建功能、結構映射分類樹，劃分出泵車的基本模塊、必選模塊和可選模塊；高羨明[4]等人綜合考慮了數控機床功能元間的功能、裝配、空間等多個相關準則，構建功能元相關度矩陣，并采用譜系聚類法實現了數控機床的模塊劃分；郟維強[5]等人發(fā)展了一種模糊證據推理算法，量化表達了零件間綜合關聯關系，并引入粒子群算法對復雜機械產品的最優(yōu)模塊劃分方案進行了求解；Suiran Yuo[6]等人考慮了產品與整個生命周期相關的屬性，通過最大化模塊內各零件間的交互關系，構建模塊化對象的自適應聚類函數模型，并采用種群遺傳算法(GGA)對模塊進行了劃分；Shana Smith[7]在影響模塊劃分的傳統(tǒng)關聯準則基礎上加入了綠色設計準則的思想，并提出一種利用原子理論概念來解決綠色產品設計的模塊規(guī)劃方法。

從國內外文獻調研中發(fā)現模塊劃分技術已從早期的根據功能結構關系劃分模塊發(fā)展為針對不同模塊化對象，融合多學科思想的全生命周期多維屬性決策，但目前我國對清障救援車輛多關聯屬性的模塊劃分技術的研究幾乎為空白。

本文針對現有清障救援車系列產品設計理念陳舊且功能模塊劃分原則模糊的現狀，基于模塊化理論，運用層次分析法和模糊聚類方法，充分考慮影響清障救援車模塊劃分的關鍵因素，建立適應于清障救援車的多維模塊劃分準則，提出合理的清障救援車模塊劃分方法，并通過分析模塊間耦合關系建立了優(yōu)化模塊劃分結果的數學模型，實現了對模塊劃分結果的科學評估，最后用重型清障救援車模塊劃分案例驗證了所提出方法正確性。

1 清障救援車的模塊劃分準則

清障救援車作為一種多功能、系列化的公路救援清障設備，可對在公路上發(fā)生故障、事故的車輛進行救援、清障工作。清障救援車作為典型復雜專用車輛的一種，對其從不同角度進行模塊劃分可以得到不同的模塊劃分結果，而合理的模塊劃分是實現模塊化設計及制造的必要條件。為得到更為準確、獨立性更強的模塊劃分方案，應依據清障救援車的功能、結構映射關系，全方面考慮清障救援車在其全生命周期中所面臨的影響因素，包括功能、性能、幾何結構、零件聯接、材料關系、零部件裝配、成本等設計要素，故將清障救援車的劃分規(guī)則按照其在生命周期中不同時期的主要特點分為設計特征屬性、裝配特征屬性和使用特征屬性，具體可細分為如圖1所示7個子相關特性。

1.1 設計特征屬性

1.1.1 功能特征相關性Pfun

清障救援車的功能實現與各個零部件的作用直接相關，故將零部件對整體功能的作用稱為零部件的功能特征。在清障救援車的模塊劃分中，功能特征的相關性是決定模塊劃分結果的關鍵因素，因此零部件功能相關性是設計特征準則中最重要的組成部分。功能特征的相關性體現在兩個零部件在完成同一項功能時的協同程度，例如，車輪跟底盤傳動系統(tǒng)在完成走行功能時是缺一不可的，所以被認為具有很強的功能相關性，對功能特征相關性的描述及其量化體系如表1所示。

1.1.2 結構特征相關性Pstr

結構是功能實現的載體，結構特征的相關性是衡量各零部件能否構成一個模塊的重要因素之一。清障救援車結構主要是根據其功能決定的，同時，零部件的結構對產品功能的實現又有一定的影響。在模塊劃分時需要參照實際的結構設計圖，如兩個零部件空間位置接觸或者靠近，那么其組合成為一個模塊的幾率就相對增大。對結構特征相關性的描述及量化體系如表1所示。

1.1.3 材料特征相關性Pmat

由于清障救援車的不同零部件發(fā)揮作用的方式不同，其加工材料也會有不同選擇，不同的材料在相互作用過程中可能會發(fā)生化學變化，導致零部件應用屬性相應改變。應盡量將相同或相容材料的零件劃分在同一模塊內，有利于進行資源回收和廢棄材料的處置。對其材料的相關性表述如表1所示。

1.2 裝配特征準則

1.2.1 可替換特征相關性Prep

清障救援車作為專用車輛產品，其零部件因其較高的標準化程度和通用性能，在裝配過程中根據不同需求而具有一定程度的可替換性。受市場規(guī)模及投入產出等經濟性指標影響，現有的清障救援車設計多選用專用二類底盤，繼而在此基礎上進行功能部件改裝，其上裝部件(專用作業(yè)功能模塊)的選擇(規(guī)格、性能)在裝配過程中會根據不同的客戶需求發(fā)生改變，而這種改變會直接影響零部件間相關的結構性能，例如，其懸架結構可以選擇鋼板式懸架、空氣懸架等，替換不同的懸架后會對相關零部件及整車性能產生影響，故而通過定量方法對此特征相關性進行描述(見表1)。

表1 零部件準則量化關系表

關系類型0.8-0.90.4-0.60.1-0.30功能特征相關性關系描述兩者共同完成主功能兩者輔助完成相關主功能兩者協同完成相關整體功能兩者無功能相關性結構特征相關性關系描述兩者是緊固關系,不可拆聯接兩者部件屬半包圍關系,需工具裝配拆卸的固定聯接兩者點線面接觸,可手工拆卸的活動聯接兩者無接觸關系材料特征相關性關系描述兩者材料完全相同或極相容兩者相容性較好,受變化后材料的綜合性能略微降低兩者相容性一般,易發(fā)生化學變化但不影響材料屬性材料極難相容或易發(fā)生化學腐蝕可替換特征相關性關系描述更換兩者部件不會對結構產生影響更換兩者部件會減弱部分結構能力更換兩者部件會大幅減弱結構能力,影響零部件可靠性兩者部件不可更換

1.2.2 連接關系相關性Pint

連接關系是清障救援車裝配特征屬性中的關鍵準則，對于零部件的規(guī)劃配置具有重要影響。連接關系包括了部件i和j間的配合方式(間隙、過渡、過盈)、連接接口類型、連接接口數目等影響因素，綜合其影響因素間的相互關系，利用零部件的聯接交互系數(如表2)表征了連接關系的強度，其強弱關系也反映了結構單元內部聯接關系對其裝配、互換性能的影響。定義救援清障車的連接關系相關性特征值為[9]：

(1)

式中：JTh為零部件i和j間第h個接口的交互關系系數，由該連接接口的連接類型決定，IF(i,j)為零部件i和j間的連接接口數目。

1.3 使用特征準則

1.3.1 壽命相關性Plif

因為救援清障車在行駛和作業(yè)狀態(tài)時受力情況及工作環(huán)境不盡相同，其零部件的使用壽命也會在不同的工況環(huán)境中發(fā)生改變，該準則的目的在于盡可能將使用壽命相近的零部件組合成一個模塊，從而避免了因為使用壽命不一致而需要不斷更換模塊內的零部件而造成的工作量增加和資源浪費。鑒于不同零部件壽命的差異性，以兩個零部件之間使用壽命的比值來定義救援清障車壽命相關性，如式(2)。

(2)

式中：mi和mj分別為零部件i和j的使用壽命，min (mi,mj)為mi和mj之間的最小值，max (mi,mj)為mi和mj之間的最大值。

表2 零部件聯接交互系數

聯接類型交互系數聯接類型交互系數注塑0.9間隙0.5焊接0.9松配合0.4螺栓0.8蓋0.2螺釘0.7限位0.1扣0.6無0輕壓入0.6

1.3.2 回收重用相關性Prec

救援清障車作為機動車的一種，必須滿足國家相關標準，在使用年限到期或者因為其他事故、故障原因，有關部門會對其進行強制拆解報廢。為減少資源浪費，其廢舊零部件會通過不同的處理方式回收利用，或重新還原為物質狀態(tài)進行再循環(huán)。為減輕回收負擔，降低回收成本，將具有相似回收利用方式的零部件組成一個模塊，有利于在救援清障車生命周期的末端對其采用相同的處理方式，例如，對不可再回收利用的模塊予以直接報廢處理，減少再拆卸的工作量。定義救援清障車的回收關系指數如表3所示。

表3 回收關系量化關系表

零部件可回收性描述兩者都能夠直接重用或可利用再制造兩者材料回收可再循壞兩者部分材料回收可再循環(huán)兩者對環(huán)境影響極大需直接進行廢棄處理回收關系指數0.90.60.30

同時，因為其重用性能還要考慮到其在裝配過程中的聯接方式，易于拆卸的零部件重用可能性較大，不易拆卸的零部件可能在拆卸過程中對零部件產生破壞影響其重用性能。因此綜合上述零部件連接的交互系數和回收關系指數，定義救援清障車回收重用關系準則的相關性因子為：

(3)

式中，JT為零部件間的連接交互關系系數，ni和nj分別為零部件i和j的回收關系指數，min (ni,nj)為ni和nj之間的最小值，max(ni,nj)為ni和nj之間的最大值。

2 零部件綜合關系的分析

為獲得合理的模塊劃分方案，需要綜合考慮上述準則影響關系，建立清障救援車任意兩個零部件之間的相關度的數值模型，將所有零部件在不同準則層下的相關性關聯值通過矩陣建立起來，形成反映各零件相關性的綜合關系矩陣。

2.1 零部件相關性關聯矩陣

如果零部件i和零部件j在功能、結構、材料、可靠性、接口、壽命和回收等方面存在交互關系，則稱這兩個零部件在這些準則層面是具有相關性的。通過分析這些影響零部件間相關性的關聯因素，結合上節(jié)所述中對于各準則的量化規(guī)則，將各個準則層下零部件間的強弱關系用數值矩陣的方式表現出來，即零部件i和零部件j的功能關系矩陣Pfun、結構關系矩陣Pstr、材料關系矩陣Pmat等，依次建立7個如公式(4)中的n×n的關系矩陣。

(4)

式中：n為零部件個數；x為各個模塊的劃分準則。

2.2 綜合相關性關聯矩陣

由于零部件間的關聯關系是基于多準則、多維度構成的，上述各個準則屬性對救援清障車模塊劃分影響不同且相互間也存在一定的關聯，因此需要在所涉及準則范圍內分析各個準則的優(yōu)先等級及交互關系，即通過為各準則分配權重來量化評估各準則的重要性。本文采用層次分析法結合專家定量評分方法分析了各準則的相對重要程度，計算得出各準則的權重值，并通過一致性檢驗驗證了權重分配的合理性，圖2即為某型清障救援車的權重分配示意圖。

在模塊劃分過程中，判斷任意兩個零部件是否要劃分到一個模塊內，需要綜合考慮道路救援車模塊劃分準則，以上述方法為各個準則分配權重，并以此為依據，將零部件間相關因子進行加權求和得到零部件間綜合相關性值，綜合相關性值大表現為兩個零部件的關聯度更為緊密，更應規(guī)劃為同一模塊。零部件i和j間的綜合相關性關系值計算公式為：

(5)

式中：CAi,j為任意兩個零部件之間的綜合相關性值；wi為各準則的權重系數因子。

相對于傳統(tǒng)的運輸車輛，清障救援車輛具有較為復雜的作業(yè)功能且構成零部件較多，各部件間的功能關系明顯，致使實際生產中的功能模塊總成與通過模塊劃分理論所劃分的模塊有一定區(qū)別，因而通過準則劃分的模塊應保留救援清障車原有的功能特性，不應將具有不同功能的零部件劃分到同一模塊中。但因為準則關系較為復雜，在準則關系的作用下可能對系統(tǒng)的劃分過程產生干擾，使得在功能上本沒有關系的零部件被劃分到同一模塊中，這會對清障救援車的模塊劃分準確度產生影響，例如，駕駛室模塊和發(fā)動機模塊雖然有結構上關聯和信息流的聯系，但并不能成為同一系統(tǒng)模塊，對其在材料、壽命等準則上的相關性討論是沒有意義的。為了促使清障救援車輛模塊劃分技術實現，使其更具有可行性，排除無意義模塊的劃分，在上式(5)中引入一個修正因子Q，通過該因子對模塊劃分的結果進行修正，即：

(6)

式中：Q為修正因子，當兩個零部件歸屬于同一功能，同一結構關系中時Q=1，當兩個零部件可能歸屬同一功能，同一結構時，Q=0.5，否則Q=0。

最終，綜合各準則層下的相關性矩陣并進行加權求和計算，形成綜合關系陣CA，其計算公式如下所示。

(7)

其中：n為產品零件數，CAij的值越大表示兩個零部件間的相關性越強。

3 模塊聚類與評價方法

完成零部件間綜合關聯矩陣的構建之后，需要根據特定的方法將各個分散的零部件聚成模塊，完成模塊劃分。模塊聚類的本質就是把具有相似性質的零部件區(qū)分于其他零部件，并加以分類。在模塊化劃分技術的研究中，可使用的聚類方法有很多種，鑒于清障救援車的零部件眾多，憑借上節(jié)所述方法所獲得的零部件相關因子CAi,j也具有主觀模糊性，聚類形成的模塊數也不易確定，因此選擇模糊動態(tài)聚類的方法來實現清障救援車的模塊劃分。

3.1 模糊聚類分析方法

模糊聚類是利用模糊數學的方法，將各個零部件之間的模糊相關性定量分析構造模糊矩陣，從而客觀且準確地進行聚類。實現模糊聚類的主要步驟：

(1)構建綜合關系矩陣CA。

(2)建立模糊相似矩陣。模糊相似矩陣R是衡量樣本間相似程度的一種模糊度量方法，可表示為R=(rij)n×n，其中相似性系數rij表示零部件i和零部件j的相似程度。求rij的方法有很多，本文采用主流的絕對值減數法：

(8)

其中，適當選取C(0≤C≤1)值，使得rij在[0,1]中具有更好的分散性。本文計算實例選取C=0.6。

(3)建立模糊等價矩陣。根據上述所得的模糊矩陣R，只是一個模糊相似矩陣，不一定具有傳遞性，即R不一定是模糊等價矩陣。為了更好地進行聚類分析，還需要采用二次方法求R的傳遞閉包t(R)，將R改造成模糊等價矩陣R*。

(9)

因此，選擇合適的λ，求出截矩陣Rλ，比較rij數值，即可獲得模糊聚類的聚類結果。

3.2 模型聚類結果評價

模塊劃分的質量主要取決于其內部零件的聚合度和各個模塊間的耦合度的強弱。模塊劃分完成后，為了評估不同閾值λ下所獲得的模塊劃分方案是否合理，本文將模塊內部零部件聚合度和各模塊間的耦合度的比值DP作為評判模塊劃分合理性的標準[11]。

模塊Mi內部零部件聚合度計算公式如式(10)所示，模塊M1和M2之間的耦合程度可由公式(11)算得。

(10)

(11)

(12)

4 實例驗證

清障救援車組成的各結構零部件較多且關聯性復雜，具有復雜機械結構特性，其零部件的拆解粒度大小對模塊劃分計算過程影響較大，粒度過大會使計算過程復雜干擾劃分結果，粒度過小會使模塊劃分失去意義。充分考慮清障救援車輛產品作為一種較為成熟的系列化產品，在多年的生產實踐中已經形成了一套成熟的模塊化體系。例如，發(fā)動機作為車輛的核心部件，其由大量零部件構成，若對該部件進行過度細化，將會大大增加模塊劃分的工作量，且對工程實際沒有意義，所以對于此類型零部件，可將其作為整體模塊來研究。同樣形式的部件結構還包括了車輛傳動系總成、制動系總成、駕駛室總成等。

以某型重型清障救援車為算例，其主要結構如圖3所示，通過分析其零部件間的功能流、信息流、能量流，明確其結構與功能的對應關系，如圖4所示，歸納出主要的零部件如表4所示。

表4 某重型清障車零部件列表

零部件號零部件名稱編號零部件號零部件名稱編號1駕駛室總成A122后托架總成C92發(fā)動機總成A223滑架C103傳動機構總成A324支腿總成C114主車架(主梁)A425變幅臂支撐座C125車輪總成A526變幅臂支撐銷C136(前、后)懸架A627變幅缸銷C147轉向機構總成A728豎臂轉動主銷C158制動機構總成A829豎臂變幅缸銷C169蓄電池B130吊臂伸縮缸銷C1710油箱B231折臂缸銷C1811尿素箱B332折臂轉軸銷C1912輪胎架B433支腿缸銷C2013副車架總成(副梁)B534擺臂銷C2114變幅臂總成C135吊臂伸縮油缸C2215豎臂總成C236變幅臂變幅油缸C2316吊臂伸縮臂總成C337豎臂變幅油缸C2417折臂總成C438折臂油缸C2518伸縮臂I總成C539托臂伸縮油缸C2619伸縮臂II總成C640支腿油缸C2720擺臂總成C741鈑金I、IID121前托架總成C842警燈支架D2

根據上述模塊劃分準則，按各準則的重要程度分配設計屬性、裝配屬性、使用屬性等劃分準則條件的權重值，見表5。

表5 準則權重值

功能結構材料可替換性接口壽命回收wfwswmwrpwiwlwre0.40.20.10.050.10.10.05

根據前節(jié)中所述綜合相關矩陣計算方法，分別對重型清障車零部件列表中的所有零部件進行相關性分析，通過加權求和計算得到任意兩個零部件間的綜合關聯值，并對計算得的數據進行規(guī)格化處理，得到其綜合關聯矩陣CA，如圖5所示。

針對上表形成的綜合關聯矩陣，通過編寫數值模擬計算程序，計算其求解其模糊相關矩陣，傳遞閉包t(CA)，取不同的閾值λ(λ=0.7，0.75，0.80，0.85)獲得其截矩陣。根據獲得的截矩陣中1、0值關聯關系確定模塊劃分方案，其中λ=0.80時，截矩陣如圖6所示。具體得到的模塊劃分結果如表6所示。

由上圖可知，當λ=0.8時，重型清障救援車可以分成底盤結構模塊、車架附件模塊、輔助模塊、支腿總成模塊、起吊總成模塊、托舉總成模塊、變幅臂總成模塊、主梁模塊、副梁模塊、發(fā)動機模塊和駕駛室模塊等。

表6 不同閾值模塊劃分方案

模塊劃分數量閾值λ模塊組成60.7{A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,B1,B2,B3,B4,B5};{C1};{C2};{C3};{C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C26};{C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C18,C19,C20,C21,C22,C23,C24,C25,D1,D2}90.75{A1,A2,A3,A5,A6,A7,A8,B1,B2,B3,B4};{A4};{B5};{C1};{C2};{C3,C11,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C20,C21,C22,C23,C24,C27};{C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C26};{C18,C19,C25};{D1,D2}110.8{A1,A2,A3,A5,A6,A7,A8};{A4};{B1,B2,B3,B4};{B5};{C1};{C2};{C3,C12,C13,C14,C15,C16,C17,C22,C23,C24};{C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C21,C26};{C11,C20,C27};{C18,C19,C25};{D1,D2}190.85{A1};{A2,A3};{A4};{A5,A6};{A7,A8};{B1,B2,B3,B4};{B5};{C1};{C2};{C3};{C4,C5,C6};{C9,C10,C21,C7,C8};{C11,C20,C27};{C12,C13,C14,C23};{C15,C16,C21};{C17,C22};{C18,C19,C25};{C26};{D1,D2}

4 結語

綜上所述，本文主要研究結論如下：

(1)基于模塊化理論對清障救援車輛模塊劃分的方法進行了研究，充分分析了清障救援車零部件在功能、結構、材料、接口等方面的相互關系，制定了面向清障救援車全生命周期的多維劃分準則，得到了零部件間的關系矩陣，并以此構建了零部件綜合相關性矩陣模型。

(2)利用模糊聚類分析方法建立了基于層次分析法的綜合關聯聚類模型，通過MATLAB編寫數值模擬計算程序求解出在不同閾值λ下的模塊劃分結果。

(3)基于模塊獨立性要求，以模塊內高聚合度和模塊間低耦合度為目標建立了優(yōu)化模塊劃分結果的數學模型，得到了與實際較為吻合的模塊劃分結果，為獲得合理、準確的清障救援車模塊單元提供了依據。

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